C.在体内神经元钙成像技术线虫
Summary
它的小的透明体，证据充分的解剖学和主机适合遗传技术和试剂，<em> C.线虫</em是一个理想的模式生物<em在体内</em>神经成像使用相对简单的，低成本的技术。在这里，我们描述了单个神经元内保存完好的成年动物的基因编码的荧光钙指标的成像。
Abstract
线虫C.线虫是一种理想的模式生物比较简单，成本低， 在体内的神经成像。透明的小身体和简单的特点，以及神经系统允许任何神经元在完整的动物识别和荧光成像。简单的固定化技术对动物的生理影响最小允许延长时间的推移成像。基因编码的钙敏感的荧光基团（如卡默莱昂1和GCaMP 2）的发展，使细胞的生理和神经元的活动有关的神经元钙在体内成像。表达这些荧光团在特定神经元的大量的转基因株系很容易得到，或者可以使用既定的技术构造。这里，钙动态测量在一个单一的神经元在体内，同时使用GCaMP和卡默莱昂的程序，我们将详细介绍。我们讨论的优点和disadvant年龄以及样品制备（动物固定）和图像分析的各种方法。最后，我们提出两个实验的结果：1）使用GCaMP测量一个特定的神经元的感官响应到外部的电场和2）使用卡默莱昂测量的生理创伤性激光损伤的神经元的钙应答。如这些钙成像技术被广泛使用在 C 线虫和已经扩展到测量遗传背景之间自由活动的动物，同时多个神经元和比较。C.线虫在体内的神经成像技术的简单性和成本的优势比其他模型系统提供了一个强大而灵活的系统。
Introduction
在这里，我们提出了切实可行的方法， 在体内钙成像C.线虫的神经元。基因编码的钙敏感的荧光团的发展与高signal-to-noise比使得C。线虫的神经生理学和活动测量一个相对简单和成本效益的系统。我们的成像是一个标准的复合式显微镜，采用宽视场常用的荧光基团的荧光成像。我们提出了几个不同的荧光基团和不同的样品制备技术，每个讨论的优点和缺点。从两个例子实验数据，然后提交。对这里所描述的技术的一个极好的额外资源可以发现WormBook，“成像”由R.克尔神经元和肌肉的活动，（ http://www.wormbook.org ）3。
两大类的genetiCALLY编码中常用的荧光钙记者，C.线虫 ：的单一通道GCaMP和基于FRET的卡默莱昂。我们将描述的方法和所产生的每一个数据的例子。
GCaMP是根据修改后的绿色荧光蛋白（GFP）的周围的钙离子浓度是敏感的。这是通过融合GFP和钙的高亲和蛋白钙调素，钙的钙调素的结合，使得成一个高效荧光确认2带来的GFP分子。在这些荧光的最新进展，产生特殊的信号大小的荧光强度增加高达500％，超过生理范围内的钙水平和合理的快速反应动力学〜95毫秒上升时间和〜650毫秒衰减时间4。在相对较短的时间周期（分钟），这些信号可以允许较低的分辨率成像（低倍率），一个乖巧的初始化IAL计量基准，为连续测量基线或比较否定的必要性。
卡默莱昂具有的优点是一个基于FRET的荧光基团，生成比较两个独立的通道或波长1的比率量度测量。它是由两个单独的荧光团（青色和黄色发光的荧光蛋白，CFP和YFP）链接由钙调素蛋白。复杂的是亮蓝色光（440 nm）的激发CFP。结合的钙带来荧光团更接近在一起，增加从CFP（供体）的荧光共振能量转移（FRET）送到YFP（受体），并造成在CFP发射（480 nm）的降低和YFP的发射（535 nm）的增加。相对钙水平的YFP / CFP强度的比率作为计量。卡默莱昂动力学比GCaMP，测定在体内有〜3秒5〜1秒的上升时间和衰减时间慢。但是，反向移动的信号的比率增加了的信号的大小和用于补偿由于在荧光基团的浓度，运动或重点不突出，漂移和漂白的变化的一些可能的工件。
需要用外源性给药探针和 C的样品制备多基因编码的荧光记者否定线虫透明的小身体允许在完整动物使用简单的宽视场荧光成像。因此，在样品制备的主要的技术挑战是安全地固定动物。有许多不同的常用的技术每个的优点和缺点。使用瘫痪的动物的药理活性剂是容易实现的，并允许安装一种制剂（左旋咪唑，胆碱能激动剂，导致肌肉组织抓紧通常用于6）上的多个动物。C.线虫也可以在物理上固定安装在僵硬的10％琼脂糖7，8。这最大限度地减少对动物生理的影响，使长期成像（小时）和多只动物的恢复，但技术上更困难。这两种技术限制物理访问的动物（这是下封面条），因此只能用于某些实验刺激（如光照，温度，电场，激光损伤）。对于刺激的物理访问是必需的，如触摸或化学品的管理，许多研究已经成功地粘C.线虫的地方（用兽医年级胶）9。这是技术上更具挑战性，是一个单一的动物准备，不使动物恢复。最后，许多微流控设备已在物理上抑制C.线虫 ，维护动物生理学，允许暴露于大多数类型的刺激（这取决于设备的设计），并且可以启用快速交换和恢复的动物<sup> 10，11。然而，微流控芯片需要更多的技术技能和能力，在设计，制造和实施。在固定的动物活动和刺激反应，一般都可以感觉的interneurons测量。运动神经元的活动需要更先进的技术，成像技术在移动的动物。在这里，我们将介绍详细的方法，采用最简单的技术的药理瘫痪和固定僵硬的琼脂糖。
这里介绍的方法可用于测量神经活动和细胞生理学C.线虫 。我们给出一个例子的每个：使用GCaMP的的ASJ神经元的测量的感官响应外部电场，和使用卡默莱昂测量响应于激光损伤的神经元的生理钙。这些例子显示了两种类型的荧光基团的优点和缺点，并说明什么是可能的系统。
Protocol
Representative Results
Discussion
基因编码的钙指标已被广泛使用在 C 线虫神经生物学。许多组织已经采用这些技术来研究的初级感觉神经元对外界刺激的反应，这里展示的ASJ电场。著名的例子包括机械接触的感觉，具体的化学品，温度和电场12，16-19。活动的interneuron和肌肉细胞中也被监控，对刺激的反应，并在动物行为的控制。许多这些研究已推动这些技术的步骤进一步使用图像识别和跟踪技术，使从在?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
几个人本文中所描述的工作做出了贡献。 ，CVG建立了实验装置，并，LS，SHC，和CVG进行了实验。 CVG和，SHC写的稿件。随后所有的作者参加了在修订过程中，批准了最后一份手稿的复印件。我们感谢保罗·斯腾伯格的GCaMP应变。在这项工作中所用的一些线虫菌株的秀丽隐杆线虫的遗传学中心（CGC），这是由美国国立卫生研究院国家研究资源中心（NCRR）。在18改编而成，使用MATLAB图像分析程序。支持作者，美国波士顿大学和麻省理工生命科学中心。
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Eclipse Ti-U inverted microscope |
Nikon | ||
| Intensilight HG Illuminator | Nikon | C-HGFI | Fluorescent light source |
| CFI Plan Apo VC 60X Oil | Nikon | ||
| Optical table or 3’X3′ optical grade breadboard |
Thor Labs | If an optical table is not used an optical grade breadboard on a solid laboratory bench should suffice. |
|
| Clara Interline Camera | Andor Technology |
High-sensitivity CCD camera | |
| wtGFP Longpass Emission | Chroma Technology Corp. |
41015 | GFP filter set for imaging GCaMP |
| Filter 440 +/- 10 nm | Chroma | D440/20x EX | excitation filter for cameleon |
| Dichroic mirror > 455 nm longpass |
Chroma | 455DCLP BS | microscope dichroic for cameleon imaging |
| Dichroic mirror > 515 nm longpass |
Chroma | 515DCLP BS | dichroic mirror for cameleon imaging |
| Filter 535 +/- 15 nm | Chroma | D535/30m EM | YFP emission filter |
| Filter 480 +/- 20 nm | Chroma | D485/40m EM | CFP emission filter |
| Lens, 200 mm, Achromat | Thor Labs | AC508-200-A1 | Relay lens for FRET optics (3) |
| Silver broadband mirror | Thor Labs | ME2S-P01 | FRET optics (2) |
| NGM buffer | |||
| Levamisole | Sigma | ||
| Polybead Microspheres | Polysciences, Inc. | 08691-10, 2.5% by volume, 50 nm diameter |
polystyrene nanoparticles for C. elegans immobilization |
| Transgenic strain, Strain gpa-9::GCaMP3(in pha-1; him-5 bkg) |
Sternberg Lab | Strain PS6388 | |
| Transgenic strain, mec- 4::YC3.60 |
Gabel Lab | Strain CG1B |
Referências
- Miyawaki, A., Llopis, J., Heim, R., McCaffery, J. M., Adams, J. A., Ikura, M., Tsien, R. Y. Fluorescent indicators for Ca2+ based on green fluorescent proteins and calmodulin. Nature. 388, 882-887 (1997).
- Nakai, J., Ohkura, M., Imoto, K. A high signal-to-noise Ca(2+) probe composed of a single green fluorescent protein. Nat. Biotechnol. 19, 137-141 (2001).
- Kerr, R. Imaging the activity of neurons and muscles. WormBook. , (2006).
- Tian, L., Hires, S. A., Mao, T., Huber, D., Chiappe, M. E., Chalasani, S. H., Petreanu, L., Akerboom, J., McKinney, S. A., Schreiter, E. R., et al. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GCaMP calcium indicators. Nat. Methods. 6, 875 (2009).
- Reiff, D. F., Ihring, A., Guerrero, G., Isacoff, E. Y., Joesch, M., Nakai, J., Borst, A. In vivo performance of genetically encoded indicators of neural activity in flies. J. Neurosci. 25, 4766-4778 (2005).
- Rand, J. B. Acetylcholine. WormBook. , (2005).
- Kim, E., Sun, L., Gabel, C. V., Fang-Yen, C. Long-term imaging of Caenorhabditis elegans using nanoparticle-mediated immobilization. PLoS ONE. 8 (1), e53419 (2013).
- Byrne, A. B., Edwards, T. J., Hammarlund, M. In vivo Laser Axotomy in C. elegans. J. Vis. Exp. (51), e2707 (2011).
- Kerr, R., Lev-Ram, V., Baird, G., Vincent, P., Tsien, R. Y., Schafer, W. R. Optical imaging of calcium transients in neurons and pharyngeal muscle of C. elegans. Neuron. 26, 583-594 (2000).
- Chronis, N., Zimmer, M., Bargmann, C. I. Microfluidics for in vivo imaging of neuronal and behavioral activity in Caenorhabditis elegans. Nat. Methods. 4, 727-731 (2007).
- Hulme, S. E., Shevkoplyas, S. S., Apfeld, J., Fontana, W., Whitesides, G. M. A microfabricated array of clamps for immobilizing and imaging C. elegans. Lab. Chip. 7, 1515-1523 (2007).
- Gabel, C. V., Gabel, H., Pavlichin, D., Kao, A., Clark, D. A., Samuel, A. D. Neural circuits mediate electrosensory behavior in Caenorhabditis elegans. J. Neurosci. 27, 7586-7596 (2007).
- Pinan-Lucarre, B., Gabel, C. V., Reina, C. P., Hulme, S. E., Shevkoplyas, S. S., Slone, R. D., Xue, J., Qiao, Y., Weisberg, S., Roodhouse, K., et al. The Core Apoptotic Executioner Proteins CED-3 and CED-4 Promote Initiation of Neuronal Regeneration in Caenorhabditis elegans. PLoS Biol. 10, e1001331 (2012).
- Chung, S. H., Clark, D. A., Gabel, C. V., Mazur, E., Samuel, A. D. The role of the AFD neuron in C. elegans thermotaxis analyzed using femtosecond laser ablation. BMC Neurosci. 7, 30 (2006).
- Nagai, T., Yamada, S., Tominaga, T., Ichikawa, M., Miyawaki, A. Expanded dynamic range of fluorescent indicators for Ca(2+) by circularly permuted yellow fluorescent proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 10554-10559 (2004).
- Kindt, K. S., Quast, K. B., Giles, A. C., De, S., Hendrey, D., Nicastro, I., Rankin, C. H., Schafer, W. R. Dopamine mediates context-dependent modulation of sensory plasticity in C. elegans. Neuron. 55, 662-676 (2007).
- Chalasani, S. H., Chronis, N., Tsunozaki, M., Gray, J. M., Ramot, D., Goodman, M. B., Bargmann, C. I. Dissecting a circuit for olfactory behaviour in Caenorhabditis elegans. Nature. 450, 63-70 (2007).
- Clark, D. A., Gabel, C. V., Gabel, H., Samuel, A. D. Temporal activity patterns in thermosensory neurons of freely moving Caenorhabditis elegans encode spatial thermal gradients. J. Neurosci. 27, 6083-6090 (2007).
- Biron, D., Shibuya, M., Gabel, C., Wasserman, S. M., Clark, D. A., Brown, A., Sengupta, P., Samuel, A. D. A diacylglycerol kinase modulates long-term thermotactic behavioral plasticity in C. elegans. Nat. Neurosci. 9, 1499-1505 (2006).
- Ghosh-Roy, A., Wu, Z. L., Goncharov, A., Jin, Y. S., Chisholm, A. D. Calcium and Cyclic AMP Promote Axonal Regeneration in Caenorhabditis elegans and Require DLK-1 Kinase. Journal of Neuroscience. 30, 3175-3183 (2010).
- Bianchi, L., Gerstbrein, B., Frokjaer-Jensen, C., Royal, D. C., Mukherjee, G., Royal, M. A., Xue, J., Schafer, W. R., Driscoll, M. The neurotoxic MEC-4(d) DEG/ENaC sodium channel conducts calcium: implications for necrosis initiation. Nat. Neurosci. 7, 1337-1344 (2004).
